一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模式分集的少模光纤二维波束形成系统，属于通信技术领域，由单波长激光器模块、信号产生模块、电光调制模块、合束器、光子灯笼、少模光纤、2*2光开关、少模环形器、少模光纤布拉格光栅、光电探测模块及矢量网络分析仪组成；其中，在光真延时网络模块引入光开关及少模光纤布拉格光栅组，通过一个光真延时模块即可形成两级延时；且系统引入模式维度，在单一波长条件下即可实现二维波束扫描，与使用波分复用技术的波束形成系统相比，极大降低了系统体积、成本及复杂度；其次，利用模式维度，可以克服基于波长调谐的波束形成系统的扫描范围受限问题，在二维空间均实现了大范围波束扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统及方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统及方法。
技术介绍
随着科学技术的快速发展和社会需求的不断提高，无线通信网络和雷达系统对全空域大范围目标搜索及跟踪能力的要求越来越高，这些要求对波束形成技术形成了新的挑战。目前，一维波束形成系统只能在空域中的一个维度进行扫描，无法实施多个维度大范围的目标搜索与跟踪，已经难以满足新一代通信的需求。基于光真时延技术的二维波束形成系统在工作频率及带宽方面表现出高性能，可实现空域目标的多维度、大范围扫描，兼具损耗小、抗电磁干扰等优点，在搜索警戒雷达、移动通信基站等方面具有广泛应用，受到人们的广泛关注。目前，越来越多的二维光真时延波束形成方案被提出，其中比较典型的方案是基于波分复用技术的二维波束形成系统。但该类系统均需使用可调谐激光器或多个固定波长激光器结合色散延迟元件实现单个延迟线上的延时，导致系统成本高、体积大、复杂性高；其次，基于波分复用技术的波束形成系统由于波长调谐范围有限，导致波束扫描范围受限。成本、尺寸、扫描范围受限成为制约波分复用型波束形成系统进一步发展的关键因素。
技术实现思路
针对基于波分复用型波束形成系统存在使用可调谐激光器或固定波长激光器阵列所导致的系统成本过高、结构复杂，且波长调谐范围小，扫描角度受限等问题，本专利技术提出基于模式分集的二维光纤波束形成系统，具有成本低、结构简单、二维空间扫描范围大等优势。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：<br>一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其系统框图如图1所示，由单波长激光器模块1、信号产生模块2、电光调制模块3、光真延时网络模块4、光电探测模块5及数据测量模块6组成；其中，单波长激光器模块1输出端与电光调制器模块3的光信号输入端口相连接，信号产生模块2的输出端口与电光调制模块3的电信号输入端口相连接，电光调制模块3的输出端口连接光真延时网络模块4的输入端口，光真延时网络模块4的输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，光电探测模块5的输出端口与数据测量模块6的输入端口连接；所述单波长激光器模块1产生的连续单波长光波及信号产生模块2产生的射频信号均输出至电光调制模块3进行调制，所述电光调制模块3采用强度调制器，将信号产生模块2的射频信号调制到单波长激光器模块1所产生的光载波上，调制后的光载波信号发送给光真延时网络模块4，实现调制光信号的时间延迟；所述光电探测模块5采用直接探测方式，接收光真延时网络模块4的信号光，并将信号光转为电信号输出，并传输给数据测量模块6，所述数据测量模块6用于测量光电探测模块5输出的电信号，根据测量所得时延、相位等相关参数，获取波束的最大指向、半功率波束宽度等信息。进一步地，所述单波长激光器模块1产生连续单波长光波λ,输出功率为P(10-50mw)。进一步地，所述信号产生模块2产生信号频率为f(0.01-40GHz)的射频信号，信号经由射频线输出至电光调制模块3后进行调制。进一步地，所述电光调制模块3采用强度调制器，将信号产生模块2的射频信号调制到单波长激光器模块1所产生的光载波上。进一步地，所述分束器41为1:N的等分分束器。进一步地，所述少模光纤布拉格光栅组455由N个少模光纤布拉格光栅级联而成，反射N个模式。进一步地，所述光真延时网络模块4，包括分束器41，模式转换器42，第一少模光纤43、第二少模光纤44、少模光纤环路45及模式解复用器46；所述电光调制模块3的输出端口连接分束器41的输入端口，分束器41的输出端口连接模式转换器42的单模光纤输入端口，模式转换器42的少模输出端口连接第一少模光纤43的输入端口，第一少模光纤43的输出端口连接少模光纤环路45输入端口，少模光纤环路45输出口连接第二少模光纤44输入端口，第二少模光纤44输出端口连接模式解复用器46的少模光纤输入端口；模式解复用器46的单模光纤输出端口连接光电探测模块5的输入端口，光电探测模块5的输出端口最终和数据测量模块6的输入端口连接。进一步的，所述少模光纤环路45，包括第一少模光纤451、第二少模光纤452、N*N光开关453，少模环形器454，少模光纤布拉格光栅组455。所述N*N光开关453的输出端口2连接第二少模光纤452的输入端口，第二少模光纤452的输出端口连接少模环形器454的端口1，少模环形器454的端口2连接少模光纤布拉格光栅组455，少模环形器454的端口3连接第一少模光纤451的输入端口，第一少模光纤451的输出端口连接N*N光开关453的输入端口2。本专利技术的工作原理及实现过程如下：单波长激光器产生波长为λ的连续光，射频信号由电光调制器调制在光载波上，调制后的光信号经分束器分别输入到N个光纤真时延支路中的模式转换器中进行空间模式转换，得到M个不同的激发模式。激发后的模式经N*N光开关注入到少模光纤布拉格光栅组中，各模式经少模光纤布拉格光栅反射后经少模光纤环路进入模式解复用器，最终实现模式间、支路间等差延时调控。基于模式分集的二维光纤波束形成系统中，每一路光真时延模块等差时延的形成由两部分协同组成。系统引入N*N光开关，根据开关的状态切换，实现不同空间波束指向角。本专利技术的另一目的在于提供一种基于模式分集的二维光纤波束形成方法，具体步骤如下：步骤1：由于模式色散效应，在少模光纤中传播速度不同，经过一定长度的少模光纤传输后，各个模式之间会出现时延；时延表达式为：其中λ为波长，c为真空中的光速，传播常数β＝neff·k0，neff为模式的有效折射率，k0是自由空间的光波波数；经过长度为l11的少模光纤后，不同模式所经历的时间分别为：τ11、τ12、…、τ1M；步骤2：少模光纤布拉格光栅在满足相位匹配条件时才能进行模式耦合，在周期为Λ的光栅中，有效折射率为neff,1，neff,2的模式相互耦合时，布拉格波长为：λ'＝(neff,1+neff,2)·Λ(2)由公式(2)可知，在λ'波长下，根据不同模式有效折射率可以计算出不同模式反射时所需的光栅周期；激发的M个模式经环形器输入到级联的少模光纤布拉格光栅中，确定少模光纤布拉格光栅周期后，模式1经少模光纤布拉格光栅FBG1反射，剩余模式透射过FBG1后经过FBG2，模式2由此处反射，以此类推，模式M经由FBGM反射；由于不同模式间时延差值无法构成等差数列排列，射频信号无法在空域中干涉，难以形成空间二维波束。本专利技术引入少模光纤布拉格光栅，通过调整少模光纤布拉格光栅的位置，实现特定位置、特定模式的反射，达到调控不同模式间时延间隔的效果。少模光纤布拉格光栅距离少模环形器的端口2的距离分别为：l21、l22、…、l2M,不同模式在少模光纤中的传播速度分别为：v1、v2、…、vM,不同模式经少模光纤布拉格光栅反射至少模环形器端口2的时间分别为：最终，不同模式间的时间延迟表示为：其中，T2-T1＝T3-T2＝Λ＝TM-TM-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，由单波长激光器模块(1)、信号产生模块(2)、电光调制模块(3)、光真延时网络模块(4)、光电探测模块(5)及数据测量模块(6)组成；其中，单波长激光器模块(1)输出端与电光调制器模块(3)的光信号输入端口相连接，信号产生模块(2)的输出端口与电光调制模块(3)的电信号输入端口相连接，电光调制模块(3)的输出端口连接光真延时网络模块(4)的输入端口，光真延时网络模块(4)的输出端口与光电探测模块(5)的输入端口连接，光电探测模块(5)的输出端口与数据测量模块(6)的输入端口连接；所述单波长激光器模块(1)产生的连续单波长光波及信号产生模块(2)产生的射频信号均输出至电光调制模块(3)进行调制，所述电光调制模块(3)采用强度调制器，将信号产生模块(2)的射频信号调制到单波长激光器模块(1)所产生的光载波上，调制后的光载波信号发送给光真延时网络模块(4)，实现调制光信号的时间延迟；所述光电探测模块(5)采用直接探测方式，接收光真延时网络模块(4)的信号光，并将信号光转为电信号输出，并传输给数据测量模块(6)，所述数据测量模块(6)用于测量光电探测模块(5)输出的电信号，根据测量所得时延、相位相关参数，获取波束的最大指向、半功率波束宽度信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，由单波长激光器模块(1)、信号产生模块(2)、电光调制模块(3)、光真延时网络模块(4)、光电探测模块(5)及数据测量模块(6)组成；其中，单波长激光器模块(1)输出端与电光调制器模块(3)的光信号输入端口相连接，信号产生模块(2)的输出端口与电光调制模块(3)的电信号输入端口相连接，电光调制模块(3)的输出端口连接光真延时网络模块(4)的输入端口，光真延时网络模块(4)的输出端口与光电探测模块(5)的输入端口连接，光电探测模块(5)的输出端口与数据测量模块(6)的输入端口连接；所述单波长激光器模块(1)产生的连续单波长光波及信号产生模块(2)产生的射频信号均输出至电光调制模块(3)进行调制，所述电光调制模块(3)采用强度调制器，将信号产生模块(2)的射频信号调制到单波长激光器模块(1)所产生的光载波上，调制后的光载波信号发送给光真延时网络模块(4)，实现调制光信号的时间延迟；所述光电探测模块(5)采用直接探测方式，接收光真延时网络模块(4)的信号光，并将信号光转为电信号输出，并传输给数据测量模块(6)，所述数据测量模块(6)用于测量光电探测模块(5)输出的电信号，根据测量所得时延、相位相关参数，获取波束的最大指向、半功率波束宽度信息。


2.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述单波长激光器模块(1)产生连续单波长光波,输出功率为10-50mw。


3.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述信号产生模块(2)产生信号频率为0.01-40GHz的射频信号，信号经由射频线输出至电光调制模块(3)后进行调制。


4.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述电光调制模块(3)采用强度调制器，将信号产生模块(2)的射频信号调制到单波长激光器模块(1)所产生的光载波上。


5.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述分束器(41)为1:N的等分分束器。


6.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述少模光纤布拉格光栅组(455)由N个少模光纤布拉格光栅级联而成，反射N个模式。


7.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述光真延时网络模块(4)，包括分束器(41)，模式转换器(42)，第一少模光纤(43)、第二少模光纤(44)、少模光纤环路(45)及模式解复用器(46)；所述电光调制模块(3)的输出端口连接分束器(41)的输入端口，分束器(41)的输出端口连接模式转换器(42)的单模光纤输入端口，模式转换器(42)的少模输出端口连接第一少模光纤(43)的输入端口，第一少模光纤(43)的输出端口连接少模光纤环路(45)输入端口，少模光纤环路(45)输出口连接第二少模光纤(44)输入端口，第二少模光纤(44)输出端口连接模式解复用器(46)的少模光纤输入端口；模式解复用器(46)的单模光纤输出端口连接光电探测模块(5)的输入端口，光电探测模块(5)的输出端口最终和数据测量模块(6)的输入端口连接。


8.如权利要求1所述的一种基于模式分集的二维光纤波束形成系统，其特征在于，所述少模光...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡贵军，刘晓，张美玲，庞睿，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22